Доклад - История на развитието на ускорителите на заредени частици

Резюме по темата:

История на развитието на ускорителите на заредени частици

Ускорителите на заредени частици са устройства за производство на заредени частици (електрони, протони, атомни ядра, йони) с висока енергия. Ускорението се получава с помощта на електрическо поле, което може да промени енергията на частиците, които имат електрически заряд. Магнитното поле може да променя само посоката на движение на заредените частици, без да променя скоростта им, така че в ускорителите се използва за управление на движението на частиците (формата на траекторията). Обикновено ускоряващото електрическо поле се създава от външни устройства (генератори). Но ускорението е възможно с помощта на полета, създадени от други заредени частици; този метод на ускорение се нарича колективен. Ускорителят на заредени частици трябва да се разграничава от плазмените ускорители, в които средно се ускоряват електрически неутрални потоци от заредени частици (плазма).

Описание на ускорител на частици

Ускорителят на частици е един от основните инструменти на съвременната физика. Ускорителите са източници както на снопове първично ускорени заредени частици, така и на снопове вторични частици (мезони, неутрони, фотони и др.), получени при взаимодействието на първично ускорени частици с материята. Лъчите на високоенергийни частици се използват за изследване на природата и свойствата на елементарните частици, в ядрената физика и във физиката на твърдото тяло. Те също така намират все по-голяма употреба в изследванията в други области: в химията, биофизиката и геофизиката. Значението на ускорителя на заредени частици с различни енергийни диапазони се разширява в металургията - за откриване на дефекти в детайли и конструкции (дефектоскопия), в дървообработващата промишленост - за бързовисококачествена обработка на продуктите, в хранително-вкусовата промишленост - за стерилизация на продукти, в медицината - за лъчетерапия, за "безкръвна хирургия" и в редица други отрасли.

Началната точка на ускорителя е източникът на заредени частици. Например, всяко нагрято парче метал може да служи като източник на електрони, от които електроните постоянно изскачат и веднага се връщат обратно. Ако наблизо се постави телена решетка и към нея се приложи напрежение, тези електрони ще бъдат изтеглени към нея и, прелитайки, ще се втурнат към анодния екран, образувайки лъч от нискоенергийни частици. Ето как работи „домашният ускорител при 10 keV“ - катодната тръба в старите телевизори.

10 keV е много малка енергия, не е достатъчна за изследване на ядрени явления. Затова физиците отчитат ерата на ускорителната технология от началото на 30-те години на миналия век, когато се появяват едновременно две схеми за ускоряване на частици до енергии от около 1 MeV. През 1932 г. Джон Дъглас Кокрофт и Еренст Уолтън в Кеймбридж конструират каскаден 800-киловолтов DC генератор, който постави началото на нова ера в експерименталната ядрена физика. Още в първия си експеримент те насочиха лъч от ускорени протони към мишена от литий-7 и наблюдаваха истинска ядрена реакция: литиево ядро улови протон и след това се разпадна на две алфа частици.

Устройството на Wideröe беше чисто демонстративно. Първият "работещ" линеен ускорител е построен през 1932 г. от Джон Кокрофт и Ърнест Уолтън, служители на лабораторията Кавендиш, които 19 години по-късно получават Нобелова награда. Тази машина ускори протоните до енергия от 500 keV, което направи възможно разбиването на литиеви ядра: литиевото ядро улови протон и след това се разпадна на две алфа частици.

През 30-те години тази система (т.нар. каскаден генератор)се използва доста широко, но само за получаване на енергия до 1 MeV (все още се използва в това си качество днес). Но схемата на Ising има много по-добри възможности. На теория е много просто. Заредената частица напуска източника и лети през вакуумната камера през множество коаксиални кухи метални тръби, подредени по права линия. Тези тръби са снабдени с променливо електрическо поле, което частицата "усеща" само когато лети през процепа (то е екранирано вътре в тръбите). Така в тръбите частиците летят по инерция - те се носят (затова тръбите се наричат дрейфови тръби). Честотата на колебанията на електрическия потенциал е избрана така, че при преминаване през всяка празнина частицата да се ускорява, а не да се забавя. След като получат изчислената енергия, частиците удрят целта (на практика те трябва да бъдат допълнително фокусирани, например с помощта на магнитни лещи). Ясно е, че параметрите на дрейфовите тръби се определят от вида на ускорените частици.

Лорънс искаше да построи 100 MeV протонен циклотрон, но се намесиха законите на физиката. Отвъд прага от 20 MeV протоните се ускоряват толкова силно, че формулите на специалната теория на относителността влизат в действие. Когато масата на една частица започне да нараства, честотата на нейното въртене естествено намалява и частицата излиза от резонанс. Най-големите циклотрони, построени в Националната лаборатория Оук Ридж в Съединените щати и в Нобеловия институт в Стокхолм, могат да ускорят протоните до 22 MeV и ядрата на деутерия до 24 MeV. За постигане на високи енергии са необходими циклични ускорители, които могат да осигурят стабилно съответствие на фазата на ускоряващото поле с движението на частицата. Циклотронът не е способен на това.За да могат релативистките частици да продължат да се ускоряват в резонансен режим, е необходимо или постепенно да се увеличава силата на магнитното поле (таканамаляване на радиуса на тяхната траектория), или намаляване на честотата на колебанията на електрическия потенциал на десените, принуждавайки го да следва намаляването на честотата на циркулация на частиците, или координирано променяне на параметрите на двете полета , Нека например действаме с помощта на едно електрическо поле. Да предположим, че сме решили как да намалим неговата честота. Оказва се, че това не е достатъчно. Първоначалните скорости на частиците няма да бъдат точно еднакви; освен това, по време на изпомпването на въздуха, определена част от частиците ще се сблъскат с неговите молекули и ще се отклонят. Ускорителят ще може да работи само ако с течение на времето броят на тези отклонения ще бъде намален и частиците ще се върнат към правилните траектории. В противен случай всички частици бързо ще излязат от резонанс.И тук на помощ идва ефектът на автофазирането, открит независимо от съветския учен Владимир Векслер с помощта на Евгений Файнберг и малко по-късно от американеца Едуин Макмилан. Те доказаха, че пръстеновидните резонансни ускорители могат да надхвърлят границата на циклотрона и да ускорят частиците до почти всякаква енергия - използвайки специален режим на колебания на електрическия потенциал, който автоматично коригира малките отклонения на частиците от изчислената фаза (нарича се равновесие) и по този начин запазва резонансното ускорение. Ако не беше този режим, възможностите на пръстеновидните ускорители биха били ограничени от максималните циклотронни енергии (заслужава да се отбележи, че механизмът на автофазиране работи и в линейни резонансни ускорители).След откриването на автофазирането бяха създадени различни дизайни на ускорители и въплътени в метал. Машина с постоянно магнитно поле и електрическо поле с променлива честота обикновено се нарича синхроциклотрон в англоезичната литература и фазотрон в съветската литература. В синхроциклотрона, както и в циклотрона, частицитесе движат в развиваща се спирала. Ускорителите, при които увеличаването на енергията на частиците е придружено от увеличаване на силата на магнитното поле, се наричат синхротрони. Синхротроните са изградени под формата на пръстеновидни тунели, заобиколени от електромагнити, така че частиците там се движат в орбити с постоянен радиус. В електронния синхротрон честотата на електрическото поле е непроменена (тъй като електроните там се движат почти със скоростта на светлината), но в протонния синхротрон този показател варира. Тези ускорители в СССР по предложение на Векслер са наречени синхрофазотрони.Първата такава машина (Kosmotron) с вакуумна камера с диаметър 23 метра е пусната в Брукхейвън през 1952 г. Първоначално ускорява протоните до 2,3 GeV, а след пълно усъвършенстване до 3,3 GeV. През 1953 г. в Бирмингамския университет влиза в експлоатация по-малко усъвършенстван протонен синхротрон с мощност 1 GeV.В следващите години енергията им нараства до няколко GeV и върху тях са направени много открития във физиката на елементарните частици. През 1954 г. е пуснат ускорителят в Бъркли, който година по-късно достига енергия от 6,2 GeV (на него за първи път са получени антипротони). През 1957 г. в Дубна е пуснат синхрофазотрон с мощност 10 GeV. Всички най-големи циклични ускорители на протони са синхрофазотрони.

Много съвременни ускорители, по-специално LHC, са базирани на принципа на синхрофазотрона.

Няколко години след прозренията на Уекслър и Макмилан, физиците направиха нов пробив по пътя към по-високите енергии.Във всички резонансни циклични ускорители магнитното поле не само обвива частиците, но и ги фокусира. В Cosmotron и други синхротрони от първо поколение, частиците пътуват в магнитно поле, което постепенно се разпада с увеличаване на радиуса. Силовите му линии са бъчвовидни, благодарение на които частицитефокусирайте не само по радиуса, но и вертикално; с други думи, такова поле не позволява на частиците да напуснат равнината на орбитата.Такава конфигурация на магнитното поле в никакъв случай не е идеална. Позволява ви да получавате само доста широки греди (а за целите на обстрела би било по-добре да компресирате гредите по-силно, увеличавайки тяхната плътност) и освен това изисква изграждането на много големи и следователно скъпи машини. Масата на магнитната система на Дубнинския синхрофазотрон, където е реализирано такова фокусиране, е 36 000 тона. Цената на системи със значително по-голяма маса би надхвърлила всички разумни граници.Този проблем беше решен в средата на миналия век. През 1949 г. гръцкият физик Николас Христофилос показа, че движението на частиците може да се контролира от голям брой електромагнити, съседни един на друг, редуващи се между силен спад в магнитното поле по радиуса на вакуумната камера и също толкова силно увеличение. Той обаче представи резултатите си само под формата на патентна заявка, така че откритието му тогава остана незабелязано. Три години по-късно американците Ърнест Курант, Стенли Ливингстън и Хартланд Снайдер излязоха със същата идея. Този метод се нарича силно фокусиране (фокусирането с помощта на радиално падащо поле се нарича слабо фокусиране). Той затегна изискванията за регулиране на ускоряващото електрическо поле, но от друга страна направи възможно по-доброто фокусиране на лъчите по радиуса и вертикалата и забави растежа на размерите на ускорителя.

Следващият етап в историята на ускорителната технология беше създаването на колайдери - ускорители със сблъскващи се лъчи, където два лъча частици се въртят в противоположни посоки и се сблъскват един с друг. Първоначално тази идея е изразена и дори патентована през 1943 г. от норвежкия физик Ролф Видерое, но е реализирана едва в началото на 60-те години от триманезависими изследователски екипи: италианска група, ръководена от австриеца Бруно Тоушек, американци, ръководени от Джерард К. О'Нийл и Волфганг К. Х. Панофски, и група от Новосибирск, ръководена от G.I. Будкер.

До този момент всички експерименти се провеждаха с неподвижна мишена. Когато високоенергийна частица се сблъска с неподвижна частица, произведените продукти от сблъсъка летят напред с висока скорост и тяхната кинетична енергия е тази, която консумира по-голямата част от енергията на лъчите. Ако обаче еднакви частици, летящи една срещу друга, се сблъскат, тогава по-голямата част от тяхната енергия се изразходва по предназначение: за раждането на частици. Според формулите на релативистката механика е възможно да се изчисли общата енергия в системата на центъра на масата - именно тази част от енергията на първоначалните частици може да бъде изразходвана за раждането на нови частици. В първия случай това е приблизително, а във втория случай 2E. Ако частиците са ултрарелативистични, E >> mc2, тогава много по-тежки частици могат да бъдат произведени в колайдери със сблъскващи се лъчи, отколкото в експерименти с фиксирана цел при същата енергия на лъча.

Разположение на Големия адронен колайдер

През 2008 г. влиза в експлоатация най-мощният ускорител, създаван някога от човека - Големият адронен колайдер LHC с енергия на протона 7 TeV. Намира се в подземен пръстен тунел с дължина 27 км на границата между Швейцария и Франция. Физиците се надяват, че резултатите от LHC ще доведат до нов пробив в разбирането на дълбоката структура на нашия свят.

Сега ускорителите са достигнали своя проектен лимит. Значително увеличаване на енергията на частиците ще бъде възможно само ако колайдерите станат линейни и се приложи по-ефективна техника за ускоряване на частиците.Пробив се обещава от лазерна или лазерно-плазмена техника за ускоряване. При него кратък, но мощен лазерен импулс или директно ускорява заредените частици, или създава смущение в плазмения облак, което улавя преминаващ електронен куп и го ускорява рязко. За успешното прилагане на тази схема в ускорител ще е необходимо да се преодолеят още много трудности (да се научите как да свързвате няколко ускоряващи елемента един с друг, да се справяте с голяма ъглова дивергенция, както и разпространението на енергията на ускорените частици), но първите резултати са много обнадеждаващи.